(57)【要約】  【課題】  測定室内に流入する被測定ガスが、直接、超音波の伝播経路にかからないようにしたガスセンサを提供する。  【解決手段】  ガスセンサ１の筐体２の側壁４には流入孔２８および流出孔２９が開口され、それぞれ流入管２６および流出管２７が接続されている。筐体２の内部には測定室３０が設けられ、パージガスは、流入孔２８より測定室３０内に流入し、流出孔２９より流出される。超音波によるガス濃度の検出は、上壁６に設けられた超音波素子５３と、底壁３に設けられた反射面１５との間に形成される測定領域３１にて行われる。流入孔２８より測定室３０に流入したパージガスは、その流入方向の延長上に設けられた遮断壁４０によって直接、測定領域３１内に侵入することが防止されており、測定領域３１における超音波の減衰が発生しにくく、正確なガス濃度の測定を行うことができる。【選択図】  図１
2005265711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスが流入出する流入孔および流出孔が壁面に開口された測定室と、
前記流入孔および前記流出孔が開口された壁面とは異なる前記測定室の壁面で、互いに対向する一対の壁面のうち、一方の壁面に設けられ、超音波を反射するための反射面と、
前記一対の壁面のうち、他方の壁面に設けられ、前記反射面に向けて超音波を送信するとともに、前記反射面によって反射された超音波を受信する超音波素子と、
前記測定室の外部より、前記流入孔を介して前記測定室内を見た場合に、前記超音波素子と前記反射面との間に形成される測定領域に対し、前記測定領域が見えなくなるように、前記測定室内に設けられた遮断壁と、
を備えたことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記遮断壁は、前記超音波素子の外側面に平行な仮想面に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記超音波素子は前記測定室に臨むように配置される素子ケース内に収納され、前記遮断壁は前記素子ケースから突設されていることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記流入孔には、前記測定室への被測定ガスの流入を案内する筒状の流入筒が設けられ、
前記遮断壁は、少なくとも前記流入筒の内周の断面積以上の広さを有し、前記流入筒の内周を前記測定領域に向かって延長した場合に、前記仮想面と交わる部分に設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に供給される蒸発燃料等の可燃性ガスの濃度を測定するためのガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を超音波素子によって送信し、所定距離を伝播した超音波を受信し、超音波の送信から受信までの伝播時間を測ることで被測定ガスの濃度等を測定するガスセンサ（ガス濃度センサ）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このガスセンサは、例えば、自動車等の内燃機関に供給される燃料の供給ラインに設けられている。より具体的には、燃料タンクから汲み上げられた燃料をインジェクタによって吸気管内に噴射するための燃料の供給ラインとは別に、燃料タンク内で発生した蒸発燃料をキャニスタに一時的に貯留し、さらに吸気管へと送る供給ライン（パージライン）に、ガスセンサが設けられている。
【０００３】
こうしたガスセンサの一例として、超音波を利用したガスセンサには、測定室内の対向する一対の壁面のうち、一方の壁面に超音波素子が設けられ、他方の壁面に超音波を反射する反射面が設けられている。そして、超音波素子から送信される超音波が測定室内を伝播し、反射面で反射されて超音波素子に受信されるように構成されている。この測定室には、パージラインに接続される流入通路および流出通路が設けられ、被測定ガスとしての蒸発燃料を含むパージガスが導入される。
【０００４】
このようなガスセンサでは、流速の速いパージガスが測定室内に流入して、測定室を通過するパージガスの流れに乱れが生ずると、超音波の伝播経路上にあるパージガスの濃度が安定せず、正確なガス濃度の測定が行えない。そこで、ガスセンサには、流入通路と流出通路との間を接続し、パージガスの一部を通過させるためのバイパス通路が測定室と平行して設けられている。このバイパス通路によりパージガスの流れは分岐され、測定室へと流入するパージガスの流速が抑えられることによって安定したガス濃度の測定が行われている。
【特許文献１】特開２０００−２４１３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、バイパス通路を有したガスセンサにおいては、パージガスの流速が遅い場合、パージガスが測定室に流入し難いためにガスの置換性が悪化し、正確なガス濃度の測定が難しくなる可能性がある。このため、パージガスの流速が遅い場合であっても正確なガス濃度測定ができるように、バイパス通路を廃止することが考えられるが、単にバイパス通路を廃止してしまうと、測定室内に流速の速いパージガスが流入するときに、流入通路と測定室との境界において、いわゆる境界剥離による渦が発生してしまう。特に、特許文献１のガスセンサのように、測定室内へと向かうパージガスの流路方向が超音波の伝播経路に直交する方向となっていると、発生した渦が伝播経路にかかってしまい、その渦によって伝播される超音波が減衰して正確なガス濃度の測定が難しくなる可能性があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、測定室内に流入する被測定ガスが、直接、超音波の伝播経路にかからないようにしたガスセンサを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のガスセンサは、被測定ガスが流入出する流入孔および流出孔が壁面に開口された測定室と、前記流入孔および前記流出孔が開口された壁面とは異なる前記測定室の壁面で、互いに対向する一対の壁面のうち、一方の壁面に設けられ、超音波を反射するための反射面と、前記一対の壁面のうち、他方の壁面に設けられ、前記反射面に向けて超音波を送信するとともに、前記反射面によって反射された超音波を受信する超音波素子と、前記測定室の外部より、前記流入孔を介して前記測定室内を見た場合に、前記超音波素子と前記反射面との間に形成される測定領域に対し、前記測定領域が見えなくなるように、前記測定室内に設けられた遮断壁と、を備えている。
【０００８】
また、請求項２に係る発明のガスセンサは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記遮断壁は、前記超音波素子の外側面に平行な仮想面に沿って設けられている。
【０００９】
また、請求項３に係る発明のガスセンサは、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記超音波素子は前記測定室に臨むように配置される素子ケース内に収納され、前記遮断壁は前記素子ケースから突設されている。
【００１０】
また、請求項４に係る発明のガスセンサは、請求項２または３に記載の発明の構成に加え、前記流入孔には、前記測定室への被測定ガスの流入を案内する筒状の流入筒が設けられ、前記遮断壁は、少なくとも前記流入筒の内周の断面積以上の広さを有し、前記流入筒の内周を前記測定領域に向かって延長した場合に、前記仮想面と交わる部分に設けられている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明のガスセンサでは、流入孔から測定室内を見た場合に、測定室内で超音波素子と反射面との間に形成される測定領域が見えなくなるように遮断壁が設けられているので、流入孔より測定室内に流入する被測定ガスが直接、測定領域に侵入することが遮断壁によって遮られている。これにより、流入孔と測定室との境界において境界剥離による渦が発生したとしても、この渦は遮断壁に衝突するため測定領域には侵入せず、ガス濃度の測定に影響を与えない。また、遮断壁は測定領域とその他の領域との境界に部分的に設けられるのであって、両者を完全に分離する壁を構成から排除することにより、測定室の小型化、ひいてはガスセンサの小型化を図ることができる。さらに、バイパス通路を廃止したために、低流速から高流速までの広い流速範囲において正確なガス濃度の測定が可能となる。
【００１２】
また、請求項２に係る発明のガスセンサでは、請求項１に係る発明の効果に加え、超音波素子の外側面に平行な仮想面に沿って遮断壁を配設すれば、被測定ガスがスムーズに測定領域に流入することができ、圧力損失によるガスの置換性の悪化を抑制することができる。
【００１３】
また、請求項３に係る発明のガスセンサでは、請求項２に係る発明の効果に加え、超音波素子を収納する素子ケースから遮断壁を突設したので、ガスセンサの組み立て時に超音波素子を収納した素子ケース（このことを、以下、「素子アセンブリ」ともいう。）を組み付けるだけで、測定室内に遮断壁を設けることができる。これにより、ガスセンサに、遮断壁の組み込みのための係合部や開口を設けなくともよく、すなわち、ガスセンサの組み立ての際に、測定室の密閉性を高めるための封止を素子アセンブリに対して行えば、遮断壁に対しても行うことができ、封止する部分を減らすことでガスセンサの構造上の信頼性を高めることができる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明のガスセンサでは、請求項２または３に係る発明の効果に加え、流入筒の内周を測定領域に向かって延長した先に遮断壁が設けられているので、流入筒内を介して測定室に流入する被測定ガスの流入方向に遮断壁が存在し、測定領域に対して直接、被測定ガスが侵入することがない。このため、測定領域における被測定ガスのガス流の乱れによる超音波の減衰を防止することができ、正確なガス濃度の測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明のガスセンサの一実施の形態であるガスセンサ１について図面を参照して説明する。ガスセンサ１は、超音波の伝播時間を測定する方法を利用したガスセンサであり、被測定ガス（すなわち測定対象の雰囲気）中における特定ガスのガス濃度を測定するものである。このガスセンサ１は、ガス濃度を測定する各種の装置に用いることができるが、一例として、自動車のガソリンタンクで蒸発した燃料を一時的に貯留するキャニスタのパージラインに設置され、パージガス中の蒸発燃料の濃度測定に使用することができる。
【００１６】
まず、本実施の形態のガスセンサ１の構成について、図１〜図４を参照して説明する。図１は、ガスセンサ１の縦断面図である。図２は、素子アセンブリ５０の部分断面図である。図３は、図２に示す矢印Ａの方向からみた、素子アセンブリ５０の底面図である。図４は、素子アセンブリ５０への遮断壁４０の固定位置を示す分解斜視図である。
【００１７】
本実施の形態のガスセンサ１は、圧電素子を利用して超音波を発生する超音波式のガスセンサであり、特に超音波の送信と受信とが兼用の超音波送受信素子（以下、単に「超音波素子５３」という。）を用いる。図１に示すように、ガスセンサ１は、ガス濃度の検出に必要な駆動・演算の処理を行う回路基板１２、超音波の送受信を行う超音波素子５３、特定ガスを含む被測定ガスであるパージガスが導入される測定室３０、測定室３０内にて超音波を反射させるために設けられた反射面１５、パージガスが流入する流入孔２８、その流入孔に接続された筒状の流入管２６、パージガスが流出する流出孔２９、その流出孔に接続された筒状の流出管２７、測定室３０内の一部の領域を仕切る遮断壁４０とから構成されている。
【００１８】
ガスセンサ１は、両端が閉塞された筒状の筐体２の内部が、測定室３０として構成されている。筐体２の一端側に設けられた上壁６には開口部５が設けられており、後述する素子アセンブリ５０が係合されている。また、筐体２の他端側の底壁３には測定室３０内に向かって突設された反射台１４が設けられ、その先端に設けられた反射面１５は、筐体２の軸線方向に対して直交する平面として構成されている。反射面１５は、超音波素子５３から送信される超音波を反射して、受信波として再度、超音波素子５３に受信されるように設けられている。なお、底壁３が、本発明における「対向する一対の壁面のうちの一方の壁面」に相当し、上壁６が、本発明における「対向する一対の壁面のうちの他方の壁面」に相当する。
【００１９】
筐体２の側壁４には、筐体２の軸線方向に対して同じ側に、流入孔２８および流出孔２９が開口されている。流入孔２８は上壁６の近傍に開口されており、この流入孔２８に、筐体２の軸線方向と直交する方向に軸線方向を有する筒状の流入管２６が接続されている。また、流出孔２９は底壁３の近傍に開口されており、同様に、筐体２の軸線方向と直交する方向に軸線方向を有する筒状の流出管２７が接続されている。この流出管２７の内周面の一部は、底壁３の内面に連続した部分を有する。これら流入管２６および流出管２７の端部がパージラインに接続されて、ガスセンサ１が設置される。なお、側壁４が、本発明における「流入孔および流出孔が開口された壁面」に相当する。また、流入管２６が、本発明における「流入筒」に相当する。
【００２０】
次に、素子アセンブリ５０について説明する。図２，図３に示すように、素子アセンブリ５０は、円筒状の素子ケース５１の内部に超音波素子（圧電素子）５３が固定され、底面（図２における紙面下側の面）にフィルム部材５４が張設された構造を有する。素子ケース５１の上面には鍔部５２が形成されており、素子アセンブリ５０が筐体２の上壁６の開口部５（図１参照）に係合されるとき、素子アセンブリ５０が測定室３０の内部に落ち込まないように支えるとともに、鍔部５２が上壁６に固着されている。また、鍔部５２の上面からは、超音波素子５３に接続された端子５５が突設されている。ガスセンサ１の組み立て時に端子５５が回路基板１２（図１参照）に半田付けされて、回路基板１２上のパターンと電気的に接続されることで、超音波素子５３の制御が行われるようになっている。超音波素子５３は円柱形状であり、超音波素子５３の軸線と素子ケース５１の軸線が一致するように素子ケース５１内に収納される。すなわち、超音波素子５１の外側面と素子ケース５１の外側面とが平行となるように、素子ケース５１内に収納される。
【００２１】
素子ケース５１の一部の側面は凹部状に形成されており、この位置に、遮断壁４０の基部４１が固定されるようになっている。遮断壁４０は、素子アセンブリ５０が筐体２に組み付けられたとき、流入孔２８から測定室３０内に流入するパージガスの流路方向の延長線上に位置するようになっている。図４に示すように、遮断壁４０は、素子アセンブリ５０の素子ケース５１の外周に沿って短手方向が湾曲した板体で、長手方向の一端（基部４１）とは反対側の他端の外周側に、他端に向かって先細り形状のテーパー部４２が形成されている。
【００２２】
そして、図１に示すように、フィルム部材５４が張設された底面側を測定室３０の反射面１５に対向させて、素子アセンブリ５０が筐体２の上壁６の開口部５に係合される。このとき、素子アセンブリ５０は、遮断壁４０が設けられた側の側面が流入孔２８に向けられるように、組み付けの向きが調整されて固定される。遮断壁４０は、流入孔２８を介して測定室３０を覗いたときに、測定領域３１を見ることができないように、その視野を覆うのに十分な大きさとなっている。これは、流入孔２８から流入するパージガスの流路方向の延長上に遮断壁４０が存在するようにして、パージガスが直接、測定領域３１に侵入しないようにするためである。
【００２３】
ここで、測定領域３１は、測定室３０内において超音波素子５３と反射面１５との間に形成される領域で、超音波素子５３から送信される超音波のうち、特に、反射面１５に向かう方向に送信される超音波の伝播経路（図中一点鎖線で示す。）を中心とする周囲の領域をいう。より具体的には、フィルム部材５４の外周を超音波の伝播方向に沿って仮に延長した場合の測定室３０内の領域をさす。
【００２４】
このようにして素子アセンブリ５０が筐体２に組み付けられると、遮断壁４０は、素子アセンブリ５０の素子ケース５１の外周縁を延設した仮想面（図中二点鎖線で示す。）に沿って突設状に設けられる。そして、遮断壁４０を流入孔２８から離して配置することで、流入孔２８から流入するパージガスの流路を確保することができ、パージガスの流量を絞らず、圧力損失によるパージガスの流量の低下を低減している。なお、ガスセンサ１には、測定室３０内の温度を測定するための温度センサ（図示外）が設けられ、回路基板１２に電気的に接続されている。
【００２５】
次に、図１を参照して、ガスセンサ１においてパージガスの濃度測定が行われる場合の動作について説明する。図１に示すように、ガスセンサ１にてパージガスの濃度測定が行われる場合、一回の測定（超音波素子５３から送信された超音波が反射面１５によって反射され、再度、その超音波素子５３によって受信されるまでを、一回の測定とする。）において、超音波素子５３から反射面１５に向かって超音波が送信される。前述したように、反射面１５は、筐体２の軸線方向に対して直交している。このため、反射面１５に対向して配置された超音波素子５３から送信された超音波が反射面１５で反射されると、その反射面１５と直交する方向成分のみが超音波素子５３に向かう。超音波素子５３ではこれを受信波として受信し、送信から受信までにかかる時間の計測結果に基づいて、ガス濃度が求められる。
【００２６】
一方、流入管２６を通じ流入孔２８から測定室３０内に流入するパージガスは、流入管２６の軸線方向に沿った方向を流路方向として測定室３０内に流入する。この流入管２６の軸線方向の延長上には遮断壁４０が設けられており、パージガスはこの遮断壁４０に当たって流路方向が曲げられる。このとき、パージガスは、遮断壁４０に設けられたテーパー部４２により、測定室３０の底壁３の方向、すなわち流出孔２９の開口へ向かう方向に案内される。
【００２７】
パージラインには負圧がかけられており、流出管２７から流出される方向にパージガスが引かれている。測定室３０内を通過するパージガスは、その大半がそのまま、流出孔２９より流出管２７を介してガスセンサ１の外部へと流出する。しかし、測定室３０内は遮断壁４０を除き隔離壁がないため、遮断壁４０の短手方向の端部や、遮断壁４０のテーパー部４２の先端から、パージガスの一部が測定領域３１内に侵入することとなる。このとき、測定領域３１内に存在するパージガスは、侵入したパージガスによって押し出され、あるいは流出孔２９を介してかけられる負圧によって引かれるため、流出孔２９に近い側から測定領域３１外へと流れる。これにより、常に、測定領域３１内のガス置換が行われる。
【００２８】
パージガスの流速が速いことに起因して、流入孔２８と測定室３０との境界において境界剥離により発生した渦は、パージガスの流路方向に沿って進むため遮断壁４０に衝突し、測定領域３１内には侵入しない。また、遮断壁４０により流速の速いパージガスが直接、測定領域３１内に侵入することがないため、測定領域３１内のパージガスのガス流の乱れは小さい。また、遮断壁４０によって流路方向が曲げられたパージガスは、流出孔２９へと向かう方向が主流となり、その方向の流速は速いので、遮断壁４０のテーパー部４２の先端にて、境界剥離による渦が発生する場合がある。しかし、発生した渦がパージガスの流路方向に沿って流出孔２９へ向かって進むため、測定領域３１内に侵入することはない。
【００２９】
そして、上記のように超音波素子５３により超音波の送受信が行われ、常に置換される測定領域３１内のパージガスの濃度の測定が行われる。つまり、超音波素子５３から送信された超音波が反射面１５に反射されて、もとの超音波素子５３に受信されるまでの伝播時間が測定される。超音波素子５３が送信波を送信してから反射波（受信波）を受信するまでの伝播時間は、パージガス中の特定ガス（蒸発燃料）のガス濃度に応じて異なってくる。従って、この伝播時間に対応したセンサ出力を取り出すことにより、被測定ガス中のガス濃度を検出することができる。なお、超音波の伝播速度はガス濃度の他に温度によっても異なってくるため、図示外の温度センサからの出力を交えてガス濃度の検出が行われる。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態のガスセンサ１では、測定室３０内に流速の速いパージガスが流入したとき、流入孔２８と測定室３０との境界において境界剥離により発生した渦は、遮断壁４０に衝突し、測定領域３１へは侵入しない。また、遮断壁４０によって流路方向が曲げられたパージガスが遮断壁４０のテーパー部４２の先端を通過する際に、境界剥離による渦が発生する場合があるが、この位置での流路方向が測定領域３１へ向かう方向ではないため、渦が測定領域３１内に侵入することはない。このため、測定領域３１において送受信される超音波の減衰が発生しにくく、正確なガス濃度の測定を行うことができる。
【００３１】
また、遮断壁４０によって流速の速いパージガスが直接、測定領域３１内に侵入することが防止されており、さらに遮断壁４０のテーパー部４２によって、流入孔２８から測定室３０内に流入したパージガスは、流出孔２９へと向かう方向に案内される。すなわち、測定領域３１に流速の速いパージガスが侵入しないように測定室３０の内部に壁等を設けずともよく、測定室３０内の構造を簡易化して小型化を図り、ひいてはガスセンサ１の小型化を図ることができる。
【００３２】
また、遮断壁４０を素子アセンブリ５０に固定したので、ガスセンサ１の組み立て時に素子アセンブリ５０を組み付ければ遮断壁４０を組み付けることができる。すなわち、測定室３０の開口は、流入孔２８、流出孔２９、および素子アセンブリ５０を組み付けるための開口部５の３つで済む。測定室３０の密閉性を高めるために封止する隙間が生ずる開口が少ないので、ガスセンサ１の構造上の信頼性を高めることができる。
【００３３】
さらに、遮断壁４０を素子アセンブリ５０の素子ケース５１の外周縁を延設した仮想面に沿うように設けられており、仮に流入管２６を介して測定室３０を覗いたときに、測定領域３１を見ることができないように、その視野を覆うのに十分な大きさとなっている。すなわち、パージガスの主流が流入孔２８から流出孔２９へと流れる際に、その流路と測定領域３１とが大きく遮られていないので、測定領域３１内のパージガスの入れ替えが容易に行われ、測定領域３１のガス置換性が向上する。そして、遮断壁４０を流入孔２８から離して配置することで、流入孔２８から流入するパージガスの流路を確保し、圧力損失によるパージガスの流量の低下を低減することができる。
【００３４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限られず、各種の変更が可能である。例えば、測定室３０の内部の壁面から遮断壁を突設させた構成としてもよい。その一例として、図５に示すように、上壁６から遮断壁４５を突設させるとよい。なお、遮断壁４５の大きさや形状等については、本実施の形態の遮断壁４０と同様である。また、素子ケース５１と遮断壁４０とを一部材にて構成してもよい。
【００３５】
また、図６に示すように、流入管２６の測定室３０側の端部に流入管２６の周壁を延長した案内壁２５を設け、流入孔２８に流入管２６を接続した際に、パージガスの流路方向が流出孔２９へと向かうように、その流路方向を案内してもよい。このとき、本実施の形態と同様に、案内壁２５の部分を除く流入管２６内におけるパージガスの流路方向の延長上に案内壁２５が存在するように、案内壁２５の壁面を構成すれば、パージガスが直接、測定領域３１に侵入することはない。
【００３６】
また、底壁３の内面に流出孔２９に向かって下向きの傾斜を設けた構成としてもよい。このようにすれば、パージガス中に含まれる水分が流出孔２９の方向に流れやすくなり、測定室３０内に溜まらずに、パージガスの通過とともにガスセンサ１の外部に排出されやすい。また、反射面１５についても緩やかな凸面状に構成して、パージガス中に含まれる水分が反射面１５上に残留しにくくなるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、各種のガスセンサに限られず、超音波の伝播時間を測定に利用する各種のセンサ等に適応できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ガスセンサ１の縦断面図である。
【図２】素子アセンブリ５０の部分断面図である。
【図３】図２に示す矢印Ａの方向からみた、素子アセンブリ５０の底面図である。
【図４】素子アセンブリ５０への遮断壁４０の固定位置を示す分解斜視図である。
【図５】ガスセンサ１の変形例の縦断面図である。
【図６】ガスセンサ１の変形例の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    ガスセンサ
３    底壁
４    側壁
６    上壁
１５    反射面
２６    流入管
２８    流入孔
２９    流出孔
３０    測定室
３１    測定領域
４０    遮断壁
５０    素子アセンブリ
５３    超音波素子
【図１】
2005265711.tif 000003
【図２】
2005265711.tif 000004
【図３】
2005265711.tif 000005
【図４】
2005265711.tif 000006
【図５】
2005265711.tif 000007
【図６】
2005265711.tif 000008